（车辆工程专业论文）基于扭杆梁式后悬架影响的轮胎不均匀磨损研究.pdf

摘要 摘要 轮胎的不均匀磨损会缩短轮胎的使用寿命，降低汽车行驶中的操纵稳定性 和乘坐舒适性，甚至会造成轮胎的爆破，威胁行车安全。因此，研究轮胎不均 匀磨损现象和产生机理，探询解决的方法，具有重要的实用价值。本文针对由 于扭转梁式悬架动态特性影响的轮胎不均匀磨损进行了理论分析和虚拟仿真， 并利用试验对仿真的结果进行验证，提出了一种研究轮胎不均匀磨损的方法。 在通常的研究中，总是将扭转梁式车桥作为刚体对待，这样的处理方法也 就忽略了由于车桥自身的动态特性而引起的车轮定位参数的变化，从而无法对 轮胎的不均匀磨损进行深入的研究。本文利用有限元分析，结合相关理论对扭 转梁式车桥进行了等效建模，使之能真实反映车桥的动态特性，并在此基础之 上建立了包含扭转梁式悬架、轮胎和路面的等效多体动力学系统模型。 利用a d a m s 软件对等效模型进行建模和仿真，分析扭转梁式悬架的静态和 动态特性，以及车轮定位参数的变化：并通过改变等效参数的数值来研究其对 悬架特性和车轮定位参数的影响程度，找到最优的取值范围，为悬架的优化提 供了依据。为了验证扭转梁式悬架等效建模的可行性，本文还借助于室内实车 的台架试验真实地还原了虚拟仿真的过程，得到了悬架实际的动念特性，对比 分析试验和仿真结果，检验模型的准确性。从理论的角度对轮胎不均匀磨损进 行了探讨，建立了用于表征轮胎磨损量的评价指标；在仿真的基础上，分析各 个定位参数在不同取值时轮胎磨损量的变化情况。 整个研究过程以虚拟仿真为核心，结合试验验证和理论分析，提出了由于 扭转梁式悬架的动态特性影响，使车轮定位参数在某些激振频率下产生变化， 从而导致轮胎产生不均匀磨损的结论。本文的工作为开展轮胎不均匀提供了一 种崭新的切实可行的研究方法，为降低或避免轮胎不均匀磨损指明了途径。 关键词：扭转梁式悬架，轮胎不均匀磨损，仿真，动态特性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et i r eb n e v e na b r a s i o n ( t u a ) w i l ls h o r t e nt h es e r v i c el i f eo ft h et i r e ，l o w e r i n g t h es t a b i l i t ya n de o m f o ri nd r i v i n g i tw i l le v e nr e s u l ti nt h et i r eb l o w i n gu p ，t h r e a t i n g t h es a f e t yo fac a i t h e r e f o r e ，i ti so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ep h e n o m e n o n a n dt h ec a u s a t i o no ft u a ，a n de x p l o rt h es o l u t i o n i ts t u d i st h et u ai n f l u e n c e db y t h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft w i s tb e a ms u s p e n s i o nb yt h e o r ya n a l y s i s ，s i n u l a t i o na n d t e s ti nt h i sp a p e r i ta l s og i v e sam e t h o dt os t u d yt h et u a i nu s u a ls t u d y , i ta l w a y sr e g a r d st h et w i s tb e a ma x l ea st h er i g i db o d y , n e g l e c t i n g t h em o v e m e n to ft h ea l i g n i n gp a r a m e t e r si n f l u e n c e db yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft h e a x l e s oi tc a n ts t u d yt h et u a d e e p l y i te s t a b l i s h e st h ee q u i v a l e n tm o d e lm a d eu s e o ff e ma n a l y s i sa n dt h er e l a t e dt h e o r i s e ，w h i c hc o u l dr e f l e c tt h ed y n a m i cc h a r m e r so f t h ea x l ei nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea x l em o d e l ，i te s t a b l i s h e st h ee q u i v a l e n td y n a m i c c h a r a d t e r so fm u l t ib o d ym o d e ls y s t e m , i n c l u d i n gt w i s tb e a ms u s p e n s i o n , t i r e sa n d t h eg r o u n d t h ee q u i v a l e n tm o d e li se s t a b l i s h e di na d a m s ，a n da n a l y s e dt h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r so ft w i s tb e a ms u s p e n s i o n t h em o v e m e n t so fa l i g n i n gp a r a m e t e r s a l ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l m i o n s t u d y i n gt h ei n f l u e n c i n gd e g r e eo fa l i g n i n g p a r a m e t e r st h r o u g hc h a n g i n gt h ev a l u eo ft h ee q u i v a l e n tp a r a m e t e r s ，f i n d i n go u tt h e b e s tv a l u er a n g e i ts u p p l i e st h ef o u n d a t i o nf o ro p t i m i z i n gt h et w i s tb e a ms u s p e n s i o n i no r d e rt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ee q u i v a l e n tm o d e lo ft w i s tb e a ms u s p e n s i o n ，a c a ri st e s t e do nt h ei s t - t e s t - p a t c ha c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fs i m u l m i o n c o m p a r i n g t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n dt h et e s tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h ee q u i v a l e n t m o d e l i ta l s od i s c u s s e st h et u af r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h e o r e t i c s ，c o n f i r m st h e e s t i m a t et a r g e to ft i r ea b r a s i o nq u a n t i t y b a s e do nt h es i m u l a t i o n ，t h ev a r i e t yo ft i r e a b r a s i o nq u a n t i t yi sa n a l y s e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e tv a l u eo fa l i g n i n gp a r a m e t e r s t h ew h o l es t u d yi sc o n c e n t r a t e do nt h es i m u l a t i o ni na d a m sc o m b i n i n gt e s t a n dt h e o r y , g i v i n gt h er e s u l tt h a tt h em o v e m e n t so fa l i g n i n gp a t a r n e t e r si n f l u e n c e db y t h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft h et w i s tb e a ms u s p e n s i o nc a u s et u a i tp r o v i d e san e w a b s t r a e t a n df e a s i b l es t u d ym e t h o dt or e s e a r c ht u aa n dd e s i g n a t i n ga na p p r o a c ht or e d u c e a n da v o i dt u a k e yw o r d s ：t w i s tb e a ms u s p e n s i o n ，u n e v e nw e a ro ft i r e ，s i m u l a t i o n ，d y n a m i c c h a r a c t e r s ! 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 之砺年艮 6e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 洲年 k荔叉乡殿川 第l 章引言 第一章引言 1 1 本课题研究的意义和背景 随着汽车工业的飞速发展，汽车的保有量越来越大，由此产生的石油短缺 和环境污染等问题对汽车行业提出了新的挑战。其中以前一直为人所忽视的一 个重要组成部分轮胎，也开始逐渐显示出其对汽车发展的影响。因此，防 止轮胎早期失效损坏，延长行驶里程，提高经济性，已成为了轮胎制造商和轿 车制造商共同研究和解决的课题。 一、减少废弃的汽车轮胎数量是我国及全世界解决环境污染和排放，坚持 可持续发展道路的重要课题，是社会发展的迫切需要。 为了全人类赖以生存的地球的环保及可持续发展，1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国 家和地区的代表在日本东京召开联合国气候变化框架公约缔约方第三次会 议，会议通过了京都议定书。旨在限制发达国家的温室气体排放对全球气候 变暖的影响。可见排放和污染是全社会最为关注的焦点。废弃的汽车轮胎橡胶 正是排放污染十分突出的污染源之一。据文献【l 】研究分析，目前欧洲每年因各种 道路运输工具而产生的轮胎橡胶的废弃物达到五十万吨：有超过二亿四千万条 的轮胎报废，废弃轮胎橡胶的燃烧产生大量的有毒气体及有害物质( 如：氮氧 化物、汞、苯基物等) 对环境造成了极大的影响。所以减少报废轮胎的数量， 提高汽车轮胎的使用寿命，是全世界环境保护和可持续发展的需要。特别是汽 车工业发达国家，如日本和欧洲国家在提高汽车轮胎寿命方面做了大量研究工 作1 2 硼，并取得了十分重要的研究成果和社会效益。 尽管京都议定书主要是限制发达国家的排放和污染，但我国在国家 中长期科技发展规划中已将环境保护作为十分重要的可持续发展战略。随着 我国汽车工业迅猛发展，我国汽车产量已居全世界的第三位。特别是我国加入 w t o 后，轿车的使用数量急剧增多，加之我国的道路条件较差，汽车轮胎的使 用寿命较短，使得废弃轮胎的污染和排放问题变得越来越突出。所以如何提高 汽车轮胎的使用寿命，研究汽车轮胎磨损机理，减少报废轮胎的数量正是我国 国民经济和社会可持续发展的迫切需要，是国家中长期发展规划的重要课题。 第1 章引言 随着我国轿车工业的迅速发展及普及，人们在享受汽车给交通带来方便的 同时，对汽车的质量提出了越来越高的要求。通过调查发现，轮胎偏磨是轿车 在使用中常发生的普遍现象，严重影响轿车轮胎的使用寿命，特别在夏天，轮 胎偏磨严重的轿车在高速、高温条件下易发生爆胎，发生交通事故，危及生命 和财产安全。对于轿车生产厂家而言，轮胎偏磨与否体现该轿车的质量，影响 轿车品牌在用户心中的形象及轿车的销售量，直接给轿车生产厂家带来了巨大 的经济损失。所以轿车轮胎偏磨是汽车行业相关研究机构及轮胎厂和整车生产 厂家需共同研究和解决的重要专题，且有重要的社会意义和经济价值。 二、研究汽车轮胎的磨损机理及对策有利于提高汽车行驶操纵稳定性和乘 座舒适性，对汽车各部件总成的合理匹配有重要的指导作用。 各大汽车生产厂家的竞争日益激烈，为了抢夺更大的市场份额，纷纷在汽 车的乘坐舒适性，操作灵活性，更佳的动力性、经济性方面大做文章。所有这 些汽车性能的改进和提高或多或少都受到了轮胎的耐磨性和使用寿命的影响和 制约，可见轮胎对于汽车工业的重要性。由于轿车对于车辆本身的安全性、经 济性、舒适性等性能的要求相对较高，轮胎的耐磨性和使用寿命得到了使用者 更多的关注。轮胎的磨损是影响轮胎寿命的主要原因，轮胎耐磨特性的优劣直 接影响到轮胎的行驶里程。而在所有的轮胎磨损形式中，非正常磨损对轮胎使 用寿命的影响又是最大的。非正常磨损主要包括：不均匀磨损( 如胎肩或胎冠 过度磨损等) 、不规则磨损( 如轮胎周向局部过度磨损等) 、偏磨损、间断规则 性磨损( 跳磨或称隔花磨) 、羽毛状磨损等。这些非正常的磨损可导致轮胎提前 报废，降低轮胎的使用寿命，还会造成轮胎的爆破和肩空等故障，威胁汽车的 行驶安全。 此外，轮胎的磨损会逐渐改变轮胎的特性，如刚度和阻尼特性，从而使整 车的操纵稳定性、制动性变坏。对于周向不均匀磨损的轮胎，在行驶中增加了 轮胎滚动时的不平衡性，即使在良好的路面上行驶，也会加剧汽车的振动，使 汽车的乘座舒适性变坏。反过来，汽车整车性能的恶化又会加剧轮胎的磨损， 使轮胎过早报废。所以说研究汽车轮胎的磨损机理，综合分析汽车各总成的影 响因素，对整车的合理匹配，开发性能优良的汽车具有重要的指导作用。 三、汽车高速行驶时轮胎周向多边形磨损机理及对策研究是轮胎磨损研究 中重要的应用基础研究工作之一，有重要的学术研究价值和实际工程应用价值。 近年来，随着我国高速公路的快速发展，汽车高速行驶在高速公路上的时 2 第1 章引言 问越来越长。由此出现了一种轮胎非正常磨损现象轮胎“周向多边形 磨 损。通过调查研究发现：汽车轮胎周向多边形磨损表现如下特征： 1 经常行驶在高速公路的汽车( 特别是轿车和大客车) 出现轮胎周向多边形磨 损的现象严重，特别是发动机前置前轮驱动汽车的后从动轮周向多边形磨损 突出。驱动轮的周向磨损相对后从动轮少。 2 车轮胎出现周向多边形磨损的行驶旅程大约在2 5 0 0 0 公里到4 0 0 0 0 公里之 间。在高速公路发生这样的周向多边形磨损最多，且磨损快。 3 据不同类型的汽车轮胎不一样，一般轮胎磨损的周向多边形为1 0 - - - 2 0 条边。 4 在沥青路面上，高温条件下，低压轮胎易发生周向多边形磨损。 这种轮胎磨损引起汽车厂家的极大关注，纷纷组织工程技术人员进行分析研 究，通过调整车轮的前束角，或更换汽车轮胎的方式，使得周向轮胎磨损有了 一定的改善。由于没有从根本上探寻出汽车轮胎周向磨损的内在机理，最终还 是没有彻底消除这一轮胎磨损现象。 汽车轮胎的周向多边形磨损涉及到的影响因素很多，如轮胎本身的结构和使 用参数，路面的材料及不平度，还有汽车整车的结构及性能，是一个综合因素 的影响。所以研究轮胎的周向多边形磨损机理及预测磨损现象是一个学术问题。 目前，一些汽车工业发达的国家早已借助于计算机将轮胎的设计开发发展到以 多学科为指导的计算机辅助轮胎设计阶段，大大地提高了轮胎设计的预见性。 汽车整车厂对轮胎与整车匹配设计方面也形成了许多丰富的经验。就我国的现 状而言，轮胎的设计仍处于经验和半经验状态，对于轮胎的磨损缺乏有完整的、 系统的分析以及科学的理论体系。因此，往往在轮胎设计中无法确定其实际的 磨损特性，必须在实际装车运行后，才能得以验证，随后再根据具体情况反复 修改设计，直至达到设计目标。这既延缓了轮胎新产品的开发周期，又增加了 开发设计的成本。汽车整车厂对车辆和轮胎的匹配设计方面也还处于摸索阶段， 没有形成固定的经验，缺乏解决突发问题的能力，这无疑制约了我国轮胎工业 和汽车工业的发展。因此，其机理研究既是一个学术课题又是一个实际工程应 用课题。开展汽车轮胎周向多边形磨损机理研究并进行科学计算及预测，具有 重要的学术价值和实际工程价值。 3 第1 章引言 1 2 国内外轮胎磨损研究的现状 轮胎磨损的过程十分复杂，往往是由多种机理共同作用的结果。主要因素有 轮胎的结构，胎面橡胶的耐磨强度，气压，负荷，车速，牵引力和侧偏力，路 面类型，外界气温和驾驶操作等。而造成轮胎非正常磨损的原因则根据不同的 磨损类型而不同，可能是车架的精度和刚度，也可能是悬架等系统中的连接杆 件、连接软垫的刚度，亦有可能是轮胎本身的动平衡和质量问题。其中，车轮 的定位不当( 尤其是车轮的外倾和前束) 或悬架系统位置失常、球头松旷等与 轮胎不均匀磨损有着很大的关系。此外，随着设计和制造工艺水平r 益提高， 诸如由于定位误差、制造精度低和装配精度低等因素造成轮胎不均匀磨损的可 能性已大大降低；而由于悬架性能参数与轮胎参数匹配不协调造成的轮胎不均 匀磨损的可能性大大提高。 汽车轮胎的磨损问题，早在6 0 年代就引起了汽车相关研究人员的注意，国 内外也都进行了许多分析探讨，但是研究并不深入，对磨损的发生机理，尤其 是不均匀磨损的产生原因是众说纷纭，始终没有一个具有系统性和权威性的结 论。 1 2 1 国外研究现状分析 轮胎磨损的理论分析最初从橡胶磨损的机理研究开始，从橡胶磨损的理论 中，提出轮胎最主要的磨损形式是磨粒磨损和疲劳磨损，得出了磨损量和摩擦 表面能成正比的结论。最早提出这一理论的是f l e i s c h e r ，他认为当某一局部体积 储存的摩擦能达到足以使表面破坏的临界值时，该局部的体积将以磨屑的形式 脱离表面。由于轮胎的磨损是与地面摩擦产生的结果，因此轮胎接地摩擦的研 究成为了轮胎磨损研究的主题。v e i t h t j 发展了一个用于计算轮胎磨损量的简单 公式，磨损量由耐磨系数和摩擦功相乘而得。g r o s c h 、m u h r 等考虑了温度和速 度等的影响完善了该公式。而在2 0 0 0 年，欧洲各国开展了一项为期三年的名为 t r o w s ( 低a n dr o a dw e a ra n ds l i pa s s e s s m e n t ) 的研究项目，旨在寻找轮胎 与地面摩擦和磨损的规律。他们通过理论建模分析和实车道路试验推导出一个 广泛用于轮胎磨损预测的数学表达式，磨损量可由耐磨系数和摩擦功进行数学 运算得到的结果，并与v e i m 的公式不谋而合。此外，l o w n e 研究了路面结构对 于轮胎磨损的影响，并得到磨损在本质上对于微观组织的依赖远大于对宏观组 4 第1 章引言 织的依赖。而在对轮胎结构的研究中s p i n n e r 和b a r t o n 发现，子午线轮胎的磨损 远小于斜交轮胎：f l u e g g e 通过对车轮负载、轮胎气压、前束和外倾角的测定来 分析磨损功对于它们的依赖性。1 1 3 j 轮胎不均匀磨损指的是轮胎行驶表面宽度和周向明显不同的磨损，这会导 致汽车过早更换轮胎，严重影响轮胎的寿命。此外不均匀磨损还会带来行驶动 力学以及噪音等方面的问题。胎肩磨损和胎冠磨损是常见的不均匀磨损形式， 还有锯齿状磨损和波浪状磨损等也较为典型。f l u e g g e 、p f l u g h a u p t 和e l o y 等人 通过试验测定发现，前束对于产生不均匀磨损的影响最大，外倾其次。y a m a z a k i 将其归咎于扁平率造成的推力以及由于调整车辆运行参数构成的侧向力的增加 或者减少。s t a l n a k e r f 7 】的观点是，在具有前束的驱动轮上，因为在外侧胎肩上存 在着曲率造成的推力和前柬造成的侧向力，使磨损主要出现在外侧胎肩。车桥 弯曲变形，轮辋变形，车轮螺母松动，车轮轴承松旷，车轮轴承调整螺母松动 或磨损以及调整过松，都可能造成轮胎的不均匀磨损。由于产生轮胎不均匀磨 损的机理相当复杂，影响因素颇多，既有轮胎本身结构和材料的原因，又有车 辆结构的原因，牵涉的理论范围包括材料力学和多体系统动力学等，还需要进 行大量的试验，因此到目前为止，还没有完整的、系统的理论成果【l 】。 在进行轮胎磨损研究中，计算机仿真模拟和实车试验是最常用也是最有效 的两种方法。实车试验也分为室内台架试验和道路整车试验。其中道路整车试 验需要较长的时间，而且需要一定的技术和资金支持，但结果较为准确且接近 实际，因此有雄厚实力的生产商往往采用这种方法。日本的丰田汽车公司通过 试验采集的数据拟合出轮胎磨损量的预测公式；法国的米其林轮胎制造公司从 实际获得的大量数据中分别对影响轮胎磨损的各种因素( 如：路面、季节、驾 驶习惯等) 进行分析，总结出一套以提高轮胎行驶里程为目的的设计和使用方 法。与道路整车试验相比，室内台架试验具有试验周期短，工况条件可控，影 响小以及能降低结果的可变性等优点。前文中提到的s t a l n a k e r 及其同事就是使 用的这种方法。他们分别利用试验设备进行了四项试验，每项试验中包含了两 种工况，通过对结果的比较探寻各种因素对轮胎磨损的影响程度。随着计算机 技术的发展，各种仿真和分析软件的出现为进行轮胎磨损的研究开辟了一条新 的道路。目前在仿真模型建立方面，进行的研究很多，所建立的模型主要用于 轮胎有限元分析和整车动力学的仿真模拟，例如：z h e n g d i s 使用有限元分析的 方法对稳态情况下的滚动摩擦进行仿真，对轮胎的磨损形式和磨损量进行预测： 第l 章引言 而由w r i g h t 等【9 】建立的a d a m s 整车模型则通过对悬架的动力仿真，确定各个 参数的变化情况，由此来寻找影响轮胎磨损的主要因素。但是在使用仿真的方 法时，这些模型无法真实反映汽车在行驶中特性的变化，且用了很多的矫j 下系 数，其所得到的结果缺乏精确性，但它可以大大缩短轮胎设计和开发的周期。 1 2 2 国内研究现状分析 国内在轮胎研究方面有较影响的郭孔辉【1 0 】院士、庄继德教授、崔胜引1 2 1 教授等知名学者对于轮胎也做了大量的研究，取得了许多有价值的成果。上个 世纪8 0 年代末，郭孔辉提出了各向摩擦系数相等条件的适用于各种印记压力分 布的纵滑与侧偏联合工况的“统一理论模型”；9 0 年代，他又提出各向摩擦系数 不相同条件下轮胎力学特性的统一理论模型，从而从理论上分析了轮胎在不同 工况条件下的摩擦特性，为开展轮胎材料和轮胎力学的研究打下了扎实的基础。 而庄继德所在的吉林大学汽车工程学院则运用了三维有限元方法对高速轿车子 午线轮胎进行了结构分析，分析了轮胎的变形特性和应力分布规律，为轮胎结 构的改进和性能的提高提供了依据。三维有限元分析作为一种便捷有效的分析 手段被许多的科研院所和高校采用。同济大学的吴光强、沈浩【l3 】等人利用轮胎 有限元模型对轮胎的接地印迹和其上的反力进行分析，得到了定位参数、载荷 及轮胎气压等因素对轮胎磨损( 特别是偏磨) 的影响程度。合肥工业大学的张 鹏1 1 4 j 等通过对三种工况下轮胎有限元模型的分析，得出了轮胎变形与侧偏特性 的关系。哈尔滨工业大学的方庆红【i5 】等通过对轮胎稳态滚动接地受力有限元分 析，结合轮胎接地能量耗损理论，对轮胎非均匀磨损进行了计算。 对于造成轮胎磨损的原因，许多汽车制造厂和修理厂在实践中不断摸索， 并通过大量实例与数据的积累，总结出许多有价值的、可供参考的经验与理论。 根据不同的磨损类型，造成轮胎非正常磨损的原因，可能是车架的精度和刚度， 也可能是悬架等系统中的连接杆件、连接软垫的刚度，亦有可能是轮胎本身的 动平衡和质量问题。由于车轮的定位不当或悬架系统位置失常、球头松旷等， 使正常滚动的车轮发生支撑架滑动或行驶中车轮定位不断变化是使轮胎产生不 均匀磨损的重要原因。大连理工大学的祝少春【l6 j 等人与企业合作，针对b j l 0 2 7 皮卡车的轮胎偏磨现象，通过大量的市场调查和数据分析，修改了转向梯形断 开点的位置，找到了减少偏磨的方法。 6 第1 章引言 而由于车桥本身的刚度特性致使车桥在高速行驶中产生上下方向弯曲和前 后方向弯曲，也会车轮定位的变化。因此，研究悬架的动态特性对研究轮胎不 均匀磨损有很大的影响。目前，利用a d a m s 仿真分析方法研究悬架特性是较 常用的方法。同济大学的余卓平【1 7 1 和凌雯f 1 8 】等人，武汉理工大学的鲍卫宁【1 9 1 等 人，吉林大学的隋震宇【2 0 】等人都做过相应的研究，分别在a d a m s v i e w 和 a d a m s c a r 中建立了悬架的运动学模型，并进行了动态仿真，分析了定位参 数的变化情况。 虽然部分企业、高校和科研单位也在轮胎磨损研究上获得了一些经验和成 果【2 1 2 4 l ，但对于轮胎偏磨损机理、轮胎磨损量评价等方面形成的系统的理论仍 然相当少，特别是利用悬架的运动学模型对轮胎磨损进行的研究非常少。而限 于各方面条件的制约，运用试验手段对轮胎不均匀磨损的研究几乎是空白。 随着高速公路的不断发展，近年来我国表现出来的高速行驶汽车轮胎的周 向多边形磨损现象，目前还没有公开报导的研究信息。在二十世纪末，日本的 高速公路发展迅速，也出现过汽车轮胎周向多边形磨损的突出现象，有过部分 有关对汽车整车匹配方面的研究，使得这种磨损现象部分得到改善，但还有许 多学术问题( 如磨损机理，与轮胎振动及汽车悬架的振动有何内在联系? 为什 么在前置前驱动汽车的后轮胎出现明显? 出现的周向多边形磨损是否有规律? 等等) 没有解决。所以“高速汽车轮胎周向多边形磨损机理研究和预测”在国 内是一个创新课题，在国际上的轮胎磨损领域内也是了个前沿课题。在学术上 和工程上都具有重要意义。 无论是国内还是国外，对于轮胎偏磨损机理的研究，都集中了大量精力来 研究轮胎与路面之间相互作用的微观和宏观机理，并以此来试图解释轮胎磨损 的各种形式，并且取得了较为丰硕的成果。但是，对于车辆本身的动力学特性 参数与轮胎磨损之间的关系这一课题，并没有注入太大精力。这方面仅有的一 些成果也仅仅集中在“悬架定位参数、车身的变形、后桥的变形、轮胎定位参 数的装配误差、各构件之间的连接间隙等因素对轮胎磨损的影响 这些带有经 验色彩的一般性结论上，没有全面系统阐述悬架系统的性能对轮胎磨损的影响。 1 3 本文拟采用的研究方法与技术路线 轮胎不均匀磨损指的是轮胎行驶表面宽度和周向明显不同的磨损，主要包 7 第l 章引言 括轮胎的偏磨损和不规则磨损，轮胎胎面在横向上的磨耗不均匀称为轮胎的偏 磨损：不规则磨损实质上是可出现在整个胎面表面的呈非线形增加的磨耗。由 于轮胎不均匀磨损的机理相当复杂，影响因素颇多，既有轮胎本身结构和材料 的原因，又有车辆结构的原因，牵涉的理论范围包括材料力学和多体系统动力 学等，还需要进行大量的试验，因此到目前为止，还没有完整的、系统的理论 成果。而且现有的基于悬架影响造成轮胎不均匀磨损的研究主要集中在前悬架 和前轮上，而对由于后悬架的影响而产生的后轮不均匀磨损的研究几乎没有。 本课题将借鉴已有的理论基础和科研成果，从轮胎磨损的微观机理和悬架参数 与轮胎参数的匹配这两方面来研究轮胎的不均匀磨损机理，并通过计算机仿真 技术，同时结合实车台架试验，力求寻找一条出比较系统和科学的研究途径。 具体研究方法与技术路线图如图1 1 所示。 减 振 器 阻 尼 力 特 性 模 型 模 型 参 数 改 进 分 析 弹 簧 刚 度 非 线 性 模 型 实验室台架试验 轮 胎 刚 度 阻 尼 特 性 模 型 扭秆粱后桥c a d 模型 扭秆梁后桥精确f e a 模型l _ j后桥受力变形特性分析 确定后桥等效刚度参数 扭杆梁式后桥等效力学模型 扭杆粱式后悬架等效多体动力学模型实车台架试验验证 基于轮胎不均匀磨损研究的轮胎力学模型 整个胎面上的轮胎磨损量分布情况 图1 1 轮胎不均匀磨损研究的方法与技术路线图 8 第1 章引言 1 4 本文的研究工作 本文的研究重点在于通过建立等效的扭杆梁式后悬架的多体动力学模型， 借助于计算机虚拟样机仿真技术，找出各种影响因素，并利用试验加以验证： 再结合相关的轮胎力学模型，提出磨损的评价方法，确定各个影响因素对后轮 不均匀磨损的影响程度；然后根据磨损量分析的结果，对模型的结构参数和力 学参数进行优化设计以达到减缓、甚至避免轮胎不均匀磨损目的。希望通过本 文的研究能够给出一套解决扭杆梁式半独立悬架轮胎不均匀磨损的可行性方 案，同时在整车开发过程中，对悬架与轮胎参数之间匹配合理性的判断具有一 定的指导意义。 本文的主要研究内容安排如下： 1 扭杆梁式后悬架和轮胎等效多体动力学模型建立：根据后桥本身的静态和动 态的受力及变化特性，将其简化成由刚体连接组成的等效模型；通过有限元 分析获取后桥和弹性元件的特性参数，以台架试验的方法取得轮胎的特性参 数，建立能够反映扭转梁式后悬架和轮胎模态特性的等效多体动力学模型。 2 等效多体动力学模型仿真及不均匀磨损产生原因的分析：运用a d a m s 软件 建立后悬架等效多体动力学模型的虚拟样机并进行仿真，分析后悬架的静态 和动态特性以及前束角和外倾角的变化；结合轮胎不均匀磨损的形式，确定 各种可能的影响因素及产生的原因；同时通过实车台架试验对a d a m s 仿真 的结果进行验证和修正。 3 等效多体动力学模型的改进分析：通过修改等效模型中对轮胎磨损有主要影 响的等效参数，进一步对扭杆梁式后悬架的等效多体动力学模型进行仿真分 析，考察这些参数对轮胎不均匀磨损的影响程度，找出最优参数值，为继续 对后悬架的结构优化提供依据。 4 结合仿真模型的后轮不均匀磨损研究：从理论的角度分析轮胎不均匀磨损的 原因及可能的因素，参考相关的理论模型，建立了对轮胎不均匀磨损的评价 方法，结合等效模型的仿真结果，分析各个影响因素在不同取值时轮胎产生 不均匀磨损的情况。 9 第2 章扭杆梁半独立后桥等效力学模型的建立 第2 章扭杆梁半独立后桥等效力学模型的建立 扭杆梁后桥由于其结构形式简单，制造成本低廉，以及在车体上的安装定 位方便而在轿车半独立式后悬架中得到广泛的应用。也正是这些在生产制造过 程中的优点，使在建立后悬架动力学模型时却带来了一系列的困难，即如何简 化处理扭杆梁后桥，以及是否考虑其受力变形等。有关扭杆梁后桥在半独立式 后悬架建模中的处理方法，多是把其作为刚体对待；但是这样的等效方法忽略 了由后桥本身变形引起的悬架定位参数以及后轮定位参数的变化，而这些因素 在汽车操纵稳定性分析中又是至关重要的，也是本文进行轮胎不均匀磨损研究 所必不可少的。 正是基于上述考虑，本章着重进行的是扭杆梁后桥的等效力学模型的建模 研究。为深入了解后桥在静态和动态条件下的受力变形特性，先建立了精确的 后桥有限元模型以借助计算机辅助分析技术对其进行静态的载荷一变形分析， 以及动态的模态分析。同时，为了验证有限元分析的准确性，针对后桥进行了 台架静态加载试验和模态试验。之后，根据后桥的受力变形特性确定其各个部 分的等效刚度参数，并根据结构材料特性确定其等效惯性参数。 2 1 后桥精确有限元模型的建立 2 1 1 后桥有限元网格离散化 首先在c a d 软件中建模，获得了研究后桥的精确几何模型，然后将几何模 型转化为i g e s 格式模型，以适应p a t r a n 的i g e s 图形数据接口，这是一种通用 的图形数据模式。通过p a t r a n 的图形数据接口导入，即在p a t r a n 中获得了由点、 线、面构成的精确后桥模型。 这个模型是提取了后桥内、外表面组成的模型，没有实体。由于后桥是左 右对称结构，为了节约资源，我们先对后桥右部分进行操作，并且对后桥上许 多对应力分布以及车架结构不产生影响的部件( 如油管固定卡) 予以忽略。而 对一些对于整体结构影响不大的曲面、凸台、工艺孔进行合理简化。在这个模 l o 第2 章扭杆粱中独立肝桥等被力学模型的建盘 型中，由于我们将会用壳单兀对后桥进行离散化，因此应该选择一个表面进行 划分。在理论上应该足提取后桥各个板中性面，这样才能满足有限元壳体单元 假设i u 论，但是p a l r a n n a s t r a n 为我们提供了一个算法，可以将壳单元进行单元 注向偏移，使得我们在对后桥某一个表面离散化以后，通过一定的操作，可以 使这个面在计算关系匕成为原柬的中性面。 为了计算阻及后处理方便，我们提取了外表面进行有限元网格离散化。由 于导入和提取过程中，不可避免的要 现一些线、面丢失以及面之日j 边界脱离， 在有限元网格离散化时，这些问题将会产生致命错误。因此要通过p a t r a n 中提 供的一些几何修复功能，最大限度的在儿何模型阶段优化后桥的有限兀模型。 最终得到的较为理想的几何模型如图21 所示。 运 圈21 衍桥外表面儿何模型 后桥是山多块铡板焊接而成由于结构上的要求，各块钢板厚度都是各不十日 同，这就要求在计算中对各个部件的壳单元定义不同的厚度。在p a t r a n 中，提 供了“组”这种概念可以对不同厚度的钢板进行分组，并且分别划分网格， 各自定义属性。根据后桥的结构初步将后桥分为了9 个组，为：后桥横梁、 加强筋、内加强筋、悬臂架、外支架( 加上套管) 、减振器支庸、弹簧支座、稳 定打_ 手【j 法j 盘等，如图22 所示，各个组钢板厚度如表21 。 袁2 1 斤桥再部件厚度 卜 口桥*憾振*自“ 加强筋悬臀禁沽兰盘 外土粜2 # 桶粱i 土筋 l 一度 5 m m 25 m m 第2 章扭杆梁半独立后桥等效力学模型的建立 图2 2 后桥几何模型分组 在几何模型的优化之后，就可以根据分组情况对后桥模型分快进行离散化。 有限元的计算精度很大程度上取决于有限元计算模型，模型必须如实反映后桥 结构。p a t r a n n a s t r a n 提供了多种壳体单元，包括六种四边形壳体单元和六种三 角形单元。我们所选取的是四节点四边形单元和三节点三角形单元。如图2 3 。 图2 3 选取的两种壳体单元 p a t r a n n a s t r a n 提供的这两种s h e l l 单元综合了平面应力板单元和受弯曲的薄 板单元的共同特性，可以承受平行及垂直板中面的载荷。这种单元每个节点有6 个自由度，也就有6 个节点力分量。可以计算大变形。综合利用这两种单元， 可以较好得模拟实际几何形状与尺寸，同时在计算精度上也可以得到较好的效 果。我们首先对后桥右半部分进行网格划分。然后通过镜像得到后桥整体模型。 1 2 痢2 章抓朝粱n 独立后桥，效力学模删的建立 闰24 斤桥阿格离散化横耻 根据有限兀理论和长期以柬有限元计算工程师们积累f 柬的经验，我们对有 限元网格提出了定的要求，要求三角形单元比例在整个网格中所占比例不超 过1 5 。对单元形状也提出了一些基本要求： 三角形单元：长宽比( a s p e c t r a t i o ) 5 倾斜角( s k e w a n g l e ) 6 0 度： 凹边形单元：宽比( a s p e c tr a t i o ) 5 ，倾斜角( s k e w a n g l e ) 14 8 度， 翘曲角( w a r p i n g a n g l e ) l l 度，锥度( t a p e r ) 0 5 。 根据统计，形成了共1 3 4 7 6 个单元体1 3 4 7 2 个节点。其中四边形单元1 2 7 9 6 个， 三角形单元6 8 6 个，检查结果如表22 。 然后，根据后桥各个部件的实际厚度定义相应壳单元的实际厚度。斋要注 意的是，我们划分的是后桥的外表面，由于在软件计算拓扑关系中，这被认定 是板的中面。如果就按照这个网格模型计算，必定会让计算结果产生误差甚至 错误。因此在定义壳单元厚度时，我们使用了软件提供的单元法向偏移功能， 将单元按照自己的法向偏移板的半个厚度这样使得嗍格在计算拓扑关系中成 为了中面，满足了壳单元计算假设。 最后，我们还要定义材料属性。后桥为s t 3 7 号钢材焊接而成，从手册和材 料数据库中可以找到s t 3 7 号铡的各种材料特性。弹性模量：2 e 5 m p a ，泊松比： 第2 章扭杆梁半独立后桥等效力学模型的建立 0 3 ，密度：7 8 e 9 t o n r a m 3 ，拉伸极限和压缩极限分别为5 9 1 6 8 m p a 和1 7 7 5 m p a 。 表2 2 单元检查结果 四边形单元检查结果 t e s tw o r s tc a s ea te l e m e n t a s p e c tm a x = 4 4 73 1 0 5 r a r pm a x = 1 1 0l o l 9 9 s k e wm a x = 5 0 94 9 5 6 t a p e rm i n = 0 5 41 0 1 9 3 三角形单元检查结果 t e s tw o r s tc a s ea te l e m e n t a s p e c tm a x - - 3 5 32 5 3 7 s k e ：wm a x = 5 8 22 5 3 7 2 1 2 后桥有限元模型的精确化 后桥实质上就是有多个部件组成的焊接件，因此，焊接的模拟就是一个比 较重要的方面。对于汽车制造来讲，通常焊接有点焊和线焊。而线焊又主要有 c 0 2 焊接、激光焊接和压缝焊接。对于点焊，大部分的有限元计算软件都设计了 相应的m p c 单元进行近似模拟，他们通常是利用一个刚性杆单元模拟相应的焊 点。从一定意义上说，这种方法取得了很好的效果，但是对于线焊接，基本上 没有特定的处理方法，最为普遍的方法是通过节点的拉合来模拟焊缝。但是这 种方法完全抛弃了焊接焊缝处材料力学性质以及具体形状的改变，因此很可能 回忽略一些应力细节。在我们的研究中，尝试设计了一种改进方法，计算结果 较为理想。 通过观察发现，后桥焊缝普遍宽度较大，大多数焊缝的宽度都超过了1 0 r a m ， 如图2 5 所示。由于焊缝尺寸较大，有可能对周围的应力环境产生影响。因此， 我们将有限元网格重新分组，将两个部件焊接处重新定义了新的组，将这些组 内单元重新定义了材料属性。根据具体情况，这些组的材料属性为：2 e 5 m p a ， 泊松比：o 2 7 ，密度：7 8 e 9t o n m m ：j 。 可以看到改动的仅仅是其的泊松比，因为焊缝使得其周围的变形受到约束， 变相地减小了相应部分地泊松比。 1 4 第2 章扭杆巢半独立后桥等教力学校# 的建立 图25 后轿焊缝 后桥的约束形式是非常复杂的， 其中，晟微妙的约束点在其与车身 相连的地方如图2 6 所示。这点很 微小的改变都会对后桥整体应力变 化产生很大影响。 在宴车中，缓冲件是采用了硬橡 胶件，而不是高硬度、大刚度的钢。 橡胶件允许后桥在侧向也可以有一 定的转动能力，年直于销子方向有一 定挠度。从试验和计算中证明，这个 微小转动自由度使得后桥应力分怖圈26 后桥与乍身迕接 有了较大改变。因此，如何设计此处的约束边界条件，关系到整个计算仿真的 精确性。圆为这基本可以看作是个销连接副，所以在模拟这个边界条件的问 题上采用多种单元综合模拟。从约束图中可以看出，实际上后桥是通过一个销 子一j 硬橡胶件和车身连接在一起的，这根销子有很大的刚度，硬橡胶件可以吐 销子在各个自由速方向上都有着定的位移量，因此就变相的降低了此处的 刚度。 在设计此处的模拟方法叫，我们首先在外支架销孔轴线方向定义了 根粱， 横截面为圆形，半径3 r m n 定义其弹性模量为2 e + 6 m p a ，其长度是伸出销孔 6 0 r a m ( 朝向后桥与车身连接方向) 。在伸出端，约束其平移自由度，但转动白 处 第2 章扭秆粱半独立后桥等效力学模型的建立 由度自由。同时在末端加上防扭弹簧，模拟硬橡胶件较小的转动阻力，如图27 所示。 圈27 改进的约束方式 综合以上建模和反复修改尝试，我们得到了可以用于后续计算的有限元网 格模型包括了其边界条件约束的精确假设。在这个过程中，我们尝试了在基